Techniklexikon

zeitaufgelöste Spektroskopie

Atom- und MolekülphysikLaserphysik und -technik, zusammenfassende Bezeichnung für alle Anwendungen der Spektroskopie, bei denen zeitliche Informationen bezüglich des untersuchten Systems verwendet oder ausgewertet werden. Das Einsatzgebiet umfasst viele Bereiche der Physik (Messung von Lebensdauern angeregter Zustände in der Atomphysik z.B. durch verzögerte Koinzidenz (Koinzidenz, verzögerte), Untersuchung elektronischer Vorgänge in der Festkörperphysik usw.) ebenso wie der Chemie (z.B. Nachweis von kurzlebigen Reaktionsprodukten) und Biologie (besonders Kurzzeitphänomene in der Zell- und Mikrobiologie). Obwohl die zeitaufgelöste Spektroskopie vornehmlich zur Untersuchung dynamischer Prozesse eingesetzt wird, lässt sie sich auch auf »statische« Probleme anwenden, z.B. bei der Massenbestimmung im Flugzeitspektrometer.

Die Laserspektroskopie mit kurzen Pulsen ist ein spezielles Verfahren der Laserspektroskopie an Atomen oder Molekülen unter Verwendung von Pulslaser mit extrem kurzen Pulsdauern. Je kürzer die Wechselwirkungszeit der Anregung des Systems ist, desto genauer lässt sich auch die zeitliche Antwort bestimmen, was insbesondere in der Pikosekundenlaserspektroskopie ausgenutzt wird. Eine noch bessere Zeitauflösung lässt sich mit Femtosekundenlasern erreichen, die mit Pulsdauern von einigen 10^-15 s auch den Bereich kurzlebigster physikalischer, chemischer oder biologischer Prozesse erschliessen können.

Vor allem zwei Eigenschaften dieser Laser sind für die Spektroskopie von Bedeutung:

In extrem kurzen Laserpulsen werden sehr hohe Spitzenintensitäten der Laserstrahlung erreicht. Ein typischer kommerziell erhältlicher Titan-Saphir-Laser erreicht z.B. Intensitäten bis ca. 10¹⁵ W / cm², mit aufwendigeren Systemen werden Intensitäten bis 10²² W / cm² erreicht. Mit solchen Intensitäten kann man sehr effizient Prozesse induzieren, bei denen mehrere Photonen absorbiert werden, wie die Multi-Photonen-Absorption oder die Multi-Photonen-Ionisation. Ausserdem lässt sich bei diesen hohen Intensitäten der Einfluss der elektromagnetischen Strahlung auf die atomaren Niveaus untersuchen. Diese Eigenschaften werden v.a. in der Ionisationsspektroskopie angewendet, bei der Atome oder Moleküle ionisiert werden und die kinetische Energie der Bruchstücke analysiert wird.

Die am häufigsten für derartige Experimente verwendeten Lasersysteme sind Festkörperlaser wie Titan-Saphir-Laser, Nd:Yag-Laser oder Diodenlaser, Farbstofflaser und Excimerlaser (Laser, Kurzzeitspektroskopie)